Herzlich- Dies ist eine der Energieformen, die in der Bewegung von Atomen in Materie enthalten ist. Die Energie dieser Bewegung messen wir mit einem Thermometer, wenn auch nicht direkt.
Wie alle anderen Energieformen kann auch Wärme von Körper zu Körper übertragen werden. Dies geschieht immer dann, wenn es Körper mit unterschiedlichen Temperaturen gibt. Gleichzeitig müssen sie sich nicht einmal berühren, da es mehrere Möglichkeiten gibt, Wärme zu übertragen. Nämlich:

Wärmeleitfähigkeit. Dies ist die Übertragung von Wärme durch direkten Kontakt zwischen zwei Körpern. (Der Körper kann eins sein, wenn seine Teile unterschiedliche Temperaturen haben.) Je größer der Temperaturunterschied zwischen den Körpern und je größer die Kontaktfläche, desto mehr Wärme wird jede Sekunde übertragen. Außerdem hängt die Menge der übertragenen Wärme vom Material ab – beispielsweise leiten die meisten Metalle die Wärme gut, während Holz und Kunststoff wesentlich schlechter sind. Der Wert, der diese Fähigkeit zur Wärmeübertragung charakterisiert, wird auch als Wärmeleitfähigkeit (genauer: Wärmeleitfähigkeitskoeffizient) bezeichnet, was zu Verwirrung führen kann.

Wenn es notwendig ist, die Wärmeleitfähigkeit irgendeines Materials zu messen, dann wird dies normalerweise in dem folgenden Experiment durchgeführt: ein Stab wird aus dem interessierenden Material hergestellt und ein Ende wird auf einer Temperatur gehalten und das andere auf einer anderen, z B. niedrigere Temperatur. Lassen Sie zum Beispiel das kalte Ende in Wasser mit Eis legen - auf diese Weise wird eine konstante Temperatur aufrechterhalten, und durch Messen der Eisschmelzgeschwindigkeit kann man die aufgenommene Wärmemenge beurteilen. Wenn wir die Wärmemenge (oder besser gesagt die Leistung) durch die Temperaturdifferenz und den Querschnitt des Stabs dividieren und mit seiner Länge multiplizieren, erhalten wir den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der wie folgt in J * m / gemessen wird. K * m 2 * s, dh in W / K * m. Unten sehen Sie eine Tabelle der Wärmeleitfähigkeit einiger Materialien.

Material	Wärmeleitfähigkeit, W/(m·K)
Diamant	1001—2600
Silber	430
Kupfer	401
Berylliumoxid	370
Gold	320
Aluminium	202—236
Silizium	150
Messing	97—111
Chrom	107
Eisen	92
Platin	70
Zinn	67
Zinkoxid	54
Stahl	47
Aluminium Oxid	40
Quarz	8
Granit	2,4
fester Beton	1,75
Basalt	1,3
Glas	1-1,15
Wärmeleitpaste KPT-8	0,7
Wasser unter normalen Bedingungen	0,6
Baustein	0,2—0,7
Holz	0,15
Erdöle	0,12
Neuschnee	0,10—0,15
Glaswolle	0,032-0,041
Steinwolle	0,034-0,039
Luft (300 K, 100 kPa)	0,022

Wie man sieht, unterscheidet sich die Wärmeleitfähigkeit um viele Größenordnungen. Diamant und einige Metalloxide leiten Wärme überraschend gut (im Vergleich zu anderen Dielektrika), Luft, Schnee und KPT-8-Wärmeleitpaste leiten Wärme nicht gut.

Aber wir sind es gewohnt zu denken, dass Luft Wärme gut leitet und Watte nicht, obwohl sie zu 99% aus Luft bestehen kann. Die Sache ist Konvektion. Heiße Luft ist leichter als kalte Luft und "schwebt" nach oben, wodurch eine konstante Luftzirkulation um einen heißen oder sehr kalten Körper entsteht. Konvektion verbessert die Wärmeübertragung um eine Größenordnung: Ohne sie wäre es sehr schwierig, einen Topf mit Wasser zum Kochen zu bringen, ohne ständig umzurühren. Und im Bereich von 0°C bis 4°C Wasser bei Erwärmung schrumpft, was zu Konvektion in der entgegengesetzten Richtung von der üblichen führt. Dies führt dazu, dass unabhängig von der Lufttemperatur am Grund tiefer Seen immer eine Temperatur von 4°C eingestellt ist.

Um die Wärmeübertragung zu reduzieren, wird Luft aus dem Raum zwischen den Wänden von Thermoskannen herausgepumpt. Es ist jedoch zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit von Luft bis zu einem Druck von 0,01 mm Hg, dh den Grenzen des Tiefvakuums, wenig abhängt. Dieses Phänomen wird durch die Theorie der Gase erklärt.

Eine andere Methode der Wärmeübertragung ist Strahlung. Alle Körper strahlen Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab, aber nur ausreichend erhitzte (~600°C) strahlen im sichtbaren Bereich. Die Strahlungsleistung ist selbst bei Raumtemperatur ziemlich groß – etwa 40 mW s 1 cm 2 . Bezogen auf die Oberfläche des menschlichen Körpers (~ 1m 2) sind das 400W. Das Einzige, was uns rettet, ist, dass in der gewohnten Umgebung auch alle Körper um uns herum ungefähr gleich stark strahlen. Die Strahlungsleistung ist übrigens laut Gesetz stark temperaturabhängig (wie T 4). Stefan Boltzmann. Berechnungen zeigen, dass beispielsweise bei 0 °C die Leistung der Wärmestrahlung etwa eineinhalb Mal schwächer ist als bei 27 °C.

Im Gegensatz zur Wärmeleitung kann sich Strahlung in einem vollständigen Vakuum ausbreiten - dank ihr erhalten lebende Organismen auf der Erde die Energie der Sonne. Wenn die Wärmeübertragung durch Strahlung unerwünscht ist, wird sie minimiert, indem undurchsichtige Trennwände zwischen kalten und heißen Objekten angebracht werden, oder die Strahlungsabsorption (und übrigens die Emission im gleichen Maße) verringert wird, indem die Oberfläche mit einem dünnen Spiegel bedeckt wird Schicht aus Metall, beispielsweise Silber.

• Die Daten zur Wärmeleitfähigkeit stammen aus Wikipedia und stammen aus Nachschlagewerken wie:

• "Physikalische Größen" hrsg. I. S. Grigorieva
• CRC-Handbuch für Chemie und Physik

• Eine strengere Beschreibung der Wärmeleitfähigkeit findet sich in einem Lehrbuch der Physik, beispielsweise in "Allgemeine Physik" von D. V. Sivukhin (Band 2). Band 4 enthält ein Kapitel über Wärmestrahlung (einschließlich des Stefan-Boltzmann-Gesetzes)

In vielen Zweigen der modernen Industrie ist ein Material wie Kupfer sehr weit verbreitet. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Metalls ist sehr hoch. Dies erklärt die Zweckmäßigkeit seiner Anwendung vor allem in der Elektrotechnik. Kupfer macht Leiter mit hervorragenden Leistungseigenschaften. Natürlich wird dieses Metall nicht nur in der Elektrotechnik, sondern auch in anderen Branchen verwendet. Seine Nachfrage erklärt sich unter anderem aus seinen Eigenschaften wie Beständigkeit gegen Korrosionsschäden in einer Reihe von aggressiven Umgebungen, Feuerfestigkeit, Duktilität usw.

Geschichtlicher Bezug

Kupfer ist ein dem Menschen seit der Antike bekanntes Metall. Die frühe Bekanntschaft der Menschen mit diesem Material erklärt sich vor allem durch seine weite Verbreitung in der Natur in Form von Nuggets. Viele Wissenschaftler glauben, dass Kupfer das erste Metall war, das der Mensch aus Sauerstoffverbindungen gewonnen hat. Früher wurden Steine ​​einfach auf einem Feuer erhitzt und stark abgekühlt, wodurch sie Risse bekamen. Später begann die Gewinnung von Kupfer bei Bränden unter Zugabe von Kohle und Blasen mit Blasebalg. Die Verbesserung dieser Methode führte schließlich zur Entstehung, und noch später begann man, dieses Metall durch oxidative Verhüttung von Erzen zu gewinnen.

Kupfer: elektrische Leitfähigkeit des Materials

Im Ruhezustand kreisen alle freien Elektronen eines beliebigen Metalls um den Atomkern. Wenn eine externe Einflussquelle angeschlossen wird, reihen sie sich in einer bestimmten Reihenfolge auf und werden zu Stromträgern. Der Grad der Fähigkeit eines Metalls, letzteres durch sich selbst zu leiten, wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet. Die Einheit seiner Messung in der Internationalen SI ist Siemens, definiert als 1 cm = 1 Ohm -1.

Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist sehr hoch. Nach diesem Indikator übertrifft es alle heute bekannten unedlen Metalle. Nur Silber lässt den Strom besser durch. Der elektrische Leitwert von Kupfer beträgt 57x104 cm -1 bei einer Temperatur von +20 °C. Aufgrund dieser Eigenschaft ist dieses Metall derzeit der am häufigsten verwendete Leiter für Industrie- und Haushaltszwecke.

Kupfer hält dauerhaft perfekt stand und zeichnet sich auch durch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus. Dieses Metall zeichnet sich unter anderem auch durch einen hohen Schmelzpunkt (1083,4 °C) aus. Und dies wiederum ermöglicht es Kupfer, im erhitzten Zustand lange zu arbeiten. Hinsichtlich der Verbreitung als Stromleiter kann nur Aluminium mit diesem Metall konkurrieren.

Einfluss von Verunreinigungen auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer

Natürlich werden in unserer Zeit viel fortschrittlichere Techniken verwendet, um dieses rote Metall zu verhütten als in der Antike. Allerdings ist es auch heute noch praktisch unmöglich, vollständig reines Cu zu erhalten. Kupfer enthält immer verschiedene Arten von Verunreinigungen. Es kann beispielsweise Silizium, Eisen oder Beryllium sein. Je mehr Verunreinigungen Kupfer enthält, desto geringer ist seine elektrische Leitfähigkeit. Für die Herstellung von Drähten beispielsweise ist nur ausreichend reines Metall geeignet. Gemäß den Vorschriften darf für diesen Zweck Kupfer mit einem Gehalt an Verunreinigungen von nicht mehr als 0,1 % verwendet werden.

Sehr oft enthält dieses Metall einen gewissen Prozentsatz an Schwefel, Arsen und Antimon. Die erste Substanz reduziert die Plastizität des Materials erheblich. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und Schwefel ist sehr unterschiedlich. Diese Verunreinigung leitet überhaupt keinen Strom. Das heißt, es ist ein guter Isolator. Schwefel hat jedoch fast keinen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Gleiches gilt für die Wärmeleitfähigkeit. Bei Antimon und Arsen beobachtet man das umgekehrte Bild. Diese Elemente können die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer erheblich reduzieren.

Legierungen

Verschiedene Zusatzstoffe können auch gezielt eingesetzt werden, um die Festigkeit eines solchen Kunststoffmaterials wie Kupfer zu erhöhen. Sie reduzieren auch seine elektrische Leitfähigkeit. Andererseits kann ihr Einsatz die Lebensdauer verschiedener Produkte erheblich verlängern.

Am häufigsten wird Cd (0,9%) als Zusatz verwendet, der die Festigkeit von Kupfer erhöht. Das Ergebnis ist Cadmiumbronze. Seine Leitfähigkeit beträgt 90 % der von Kupfer. Teilweise wird anstelle von Cadmium auch Aluminium als Zusatzstoff verwendet. Die Leitfähigkeit dieses Metalls beträgt 65 % der von Kupfer. Um die Festigkeit von Drähten in Form eines Zusatzes zu erhöhen, können andere Materialien und Substanzen verwendet werden - Zinn, Phosphor, Chrom, Beryllium. Das Ergebnis ist Bronze eines bestimmten Grades. Die Kombination aus Kupfer und Zink wird als Messing bezeichnet.

Legierungseigenschaften

Dies kann nicht nur von der Menge der darin enthaltenen Verunreinigungen abhängen, sondern auch von anderen Indikatoren. Wenn beispielsweise die Heiztemperatur ansteigt, nimmt die Fähigkeit von Kupfer ab, Strom durch sich selbst zu leiten. Auch die Art der Herstellung beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Drahtes. Im Alltag und in der Produktion können sowohl weichgeglühte als auch hartgezogene Kupferleiter verwendet werden. Bei der ersten Sorte ist die Fähigkeit, Strom durch sich selbst zu leiten, höher.

Den größten Einfluss haben jedoch natürlich die verwendeten Zusatzstoffe und deren Menge auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Die folgende Tabelle gibt dem Leser umfassende Auskunft über die Strombelastbarkeit der gängigsten Legierungen dieses Metalls.

Elektrische Leitfähigkeit von Kupferlegierungen

Legierung	Zustand (O - geglüht, T-hart gezogen)	Leitfähigkeit (%)
reines Kupfer
Zinnbronze (0,75%)
Cadmiumbronze (0,9%)
Aluminiumbronze (2,5 % A1, 2 % Sn)
Phosphorbronze (7 % Sn, 0,1 % P)

Die elektrische Leitfähigkeit von Messing und Kupfer ist vergleichbar. Für das erste Metall ist diese Zahl jedoch natürlich etwas niedriger. Aber gleichzeitig ist es höher als das von Bronzen. Messing wird häufig als Dirigent verwendet. Es überträgt den Strom schlechter als Kupfer, kostet aber gleichzeitig weniger. Meistens bestehen Kontakte, Klemmen und verschiedene Teile für Funkgeräte aus Messing.

Hochbeständige Kupferlegierungen

Solche Leitermaterialien werden hauptsächlich bei der Herstellung von Widerständen, Rheostaten, Messinstrumenten und elektrischen Heizgeräten verwendet. Die am häufigsten verwendeten Kupferlegierungen für diesen Zweck sind Konstantan und Manganin. Der spezifische Widerstand des ersten (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) beträgt 0,42-0,48 µOhm/m und der zweite (60 % Cu, 40 % Ni) beträgt 0,48-0,52 µOhm/m.

Zusammenhang mit dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten

Kupfer - 59.500.000 S/m. Dieser Indikator ist, wie bereits erwähnt, korrekt, jedoch nur bei einer Temperatur von +20 ° C. Es besteht eine bestimmte Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit eines Metalls und der spezifischen Leitfähigkeit. Stellt sein Wiedemann-Franz-Gesetz auf. Es wird für Metalle bei hohen Temperaturen durchgeführt und wird in der folgenden Formel ausgedrückt: K / γ \u003d π 2 / 3 (k / e) 2 T, wobei y die spezifische Leitfähigkeit ist, k die Boltzmann-Konstante ist, e die Elementarkonstante ist aufladen.

Natürlich gibt es eine ähnliche Verbindung mit einem Metall wie Kupfer. Seine Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sind sehr hoch. Bei beiden Indikatoren belegt es nach Silber den zweiten Platz.

Verbindung von Kupfer- und Aluminiumdrähten

In letzter Zeit werden im Alltag und in der Industrie elektrische Geräte mit immer höherer Leistung eingesetzt. In der Sowjetzeit wurde die Verkabelung hauptsächlich aus billigem Aluminium hergestellt. Leider entsprechen seine Betriebseigenschaften nicht mehr den neuen Anforderungen. Daher wechseln sie heute im Alltag und in der Industrie sehr oft zu Kupfer. Der Hauptvorteil der letzteren besteht neben ihrer Feuerfestigkeit darin, dass ihre Leitfähigkeitseigenschaften während des oxidativen Prozesses nicht abnehmen.

Bei der Modernisierung elektrischer Netze müssen häufig Aluminium- und Kupferdrähte verbunden werden. Sie können dies nicht direkt tun. Tatsächlich unterscheidet sich die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium und Kupfer nicht allzu sehr. Aber nur für diese Metalle selbst. Oxidationsfilme von Aluminium und Kupfer haben unterschiedliche Eigenschaften. Dadurch wird die Leitfähigkeit an der Verbindungsstelle erheblich reduziert. Der Oxidationsfilm von Aluminium ist wesentlich widerstandsfähiger als der von Kupfer. Daher sollte die Verbindung dieser beiden Leiterarten ausschließlich über spezielle Adapter erfolgen. Das können zum Beispiel Schellen sein, die eine Paste enthalten, die Metalle vor Oxidbildung schützt. Diese Version der Adapter wird normalerweise im Freien verwendet. Abzweigklemmen werden häufiger im Innenbereich verwendet. Ihr Design umfasst eine spezielle Platte, die den direkten Kontakt zwischen Aluminium und Kupfer ausschließt. Wenn solche Leiter unter häuslichen Bedingungen nicht vorhanden sind, wird empfohlen, anstatt die Drähte direkt zu verdrillen, eine Unterlegscheibe und eine Mutter als Zwischenbrücke zu verwenden.

Physikalische Eigenschaften

So haben wir herausgefunden, was die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist. Dieser Indikator kann je nach den Verunreinigungen, aus denen dieses Metall besteht, variieren. Die Nachfrage nach Kupfer in der Industrie wird jedoch auch von seinen anderen nützlichen physikalischen Eigenschaften bestimmt, über die Sie der nachstehenden Tabelle entnehmen können.

Physikalische Eigenschaften von Cu

Parameter	Bedeutung
	Kubisch flächenzentriert, a=3,6074 Å
Atomradius
Spezifische Wärme	385,48 j/(kg K) bei +20 o C
Wärmeleitfähigkeit	394,279 W/(m·K) bei +20 °C
Elektrischer Wiederstand	1,68 10-8 Ohm m
Linearer Ausdehnungskoeffizient
Härte
Zerreißfestigkeit

Chemische Eigenschaften

Nach diesen Eigenschaften nimmt Kupfer, dessen elektrische und thermische Leitfähigkeit sehr hoch ist, eine Zwischenstellung zwischen den Elementen der ersten Triade der achten Gruppe und den alkalischen Elementen der ersten Gruppe des Periodensystems ein. Seine wichtigsten chemischen Eigenschaften umfassen:

Neigung zur Komplexbildung;

die Fähigkeit, farbige Verbindungen und unlösliche Sulfide zu ergeben.

Das charakteristischste von Kupfer ist der zweiwertige Zustand. Es hat praktisch keine Ähnlichkeiten mit Alkalimetallen. Seine chemische Aktivität ist ebenfalls gering. Bei Anwesenheit von CO 2 oder Feuchtigkeit bildet sich auf der Kupferoberfläche ein grüner Karbonatfilm. Alle Kupfersalze sind giftig. Dieses Metall stellt im ein- und zweiwertigen Zustand sehr stabile dar. Ammoniakmetalle sind von größter Bedeutung für die Industrie.

Anwendungsbereich

Die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit von Kupfer bestimmt seine breite Anwendung in verschiedenen Branchen. Am häufigsten wird dieses Metall natürlich in der Elektrotechnik verwendet. Dies ist jedoch bei weitem nicht der einzige Anwendungsbereich. Kupfer kann unter anderem verwendet werden:

im Schmuck;

in der Architektur;

bei der Montage von Sanitär- und Heizungsanlagen;

in Gasleitungen.

Für die Herstellung verschiedener Arten von Schmuck wird hauptsächlich eine Legierung aus Kupfer und Gold verwendet. Auf diese Weise können Sie die Widerstandsfähigkeit von Schmuck gegen Verformung und Abrieb erhöhen. In der Architektur kann Kupfer zur Verkleidung von Dächern und Fassaden verwendet werden. Der Hauptvorteil dieses Finishs ist die Haltbarkeit. So ist beispielsweise das Dach eines bekannten architektonischen Wahrzeichens, des katholischen Doms im deutschen Hildesheim, mit Blechen aus diesem besonderen Metall verkleidet. Seit fast 700 Jahren schützt das Kupferdach dieses Gebäudes zuverlässig seinen Innenraum.

Ingenieurkommunikation

Die Hauptvorteile von Kupferinstallationen sind auch Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus ist dieses Metall in der Lage, Wasser besondere einzigartige Eigenschaften zu verleihen, die es für den Körper nützlich machen. Auch für die Montage von Gasleitungen und Heizungsanlagen sind Kupferrohre ideal – vor allem wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und Duktilität. Bei einem notfallmäßigen Druckanstieg sind solche Leitungen wesentlich stärker belastbar als Stahlleitungen. Der einzige Nachteil von Kupferrohrleitungen sind ihre hohen Kosten.

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Die Wärmeleitfähigkeit der Emailbeschichtung ist selbst bei gewöhnlichem Email ziemlich niedrig, - 0,8 - 1,0 Watt pro Meter Grad. Zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen beträgt 65; Stahl - 70 - 80; Kupfer - 330 Watt pro Meter Grad. Bei Vorhandensein von Gasblasen im Email, die zu einer Abnahme seiner scheinbaren Dichte führen, nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab. Beispielsweise beträgt bei einer scheinbaren Dichte von Emaille von 2,48 Gramm pro Kubikzentimeter die Wärmeleitfähigkeit 1,18 Watt pro Meter Grad, bei einer scheinbaren Dichte von 2,20 Gramm pro Kubikzentimeter beträgt die Wärmeleitfähigkeit dann bereits 0,46 Watt pro Meter Grad.

Das Kristallgitter von Aluminium besteht, wie das vieler anderer Metalle, aus flächenzentrierten Würfeln (s. S. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist doppelt so hoch wie die von Eisen und halb so groß wie die von Kupfer. Seine elektrische Leitfähigkeit ist viel höher als die elektrische Leitfähigkeit von Eisen und erreicht 60 % der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer.

Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften einiger Chromgusseisen.

Die Legierung ist sehr anfällig für Lunker. Die Wärmeleitfähigkeit der Legierung beträgt etwa die Hälfte der Wärmeleitfähigkeit von Eisen, was bei der Herstellung von thermischen Geräten aus Chromguss berücksichtigt werden sollte.

Beim Lichtbogenschweißen von Kupfer ist zu berücksichtigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer etwa sechsmal größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Eisen. Mit Kupfer wird die Festigkeit so herabgesetzt, dass sich schon bei leichten Schlägen Risse bilden. Kupfer schmilzt bei einer Temperatur von 1083 C.

Der Elastizitätsmodul von Titan ist fast halb so hoch wie der von Eisen, liegt auf dem gleichen Niveau wie der von Kupferlegierungen und ist deutlich höher als der von Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan ist gering: Sie beträgt etwa 7 % der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und 165 % der Wärmeleitfähigkeit von Eisen. Dies muss beim Erhitzen von Metall zum Umformen und Schweißen berücksichtigt werden. Der elektrische Widerstand von Titan ist etwa 6-mal größer als der von Eisen und 20-mal größer als der von Aluminium.

Der Elastizitätsmodul von Titan ist fast halb so hoch wie der von Eisen, liegt auf dem gleichen Niveau wie der von Kupferlegierungen und ist deutlich höher als der von Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan ist gering: Sie beträgt etwa 7 % der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und 16-5 % der Wärmeleitfähigkeit von Eisen.

Dieses Material hat eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit und eine außergewöhnlich hohe chemische Beständigkeit gegenüber fast allen, selbst den aggressivsten chemischen Reagenzien, mit Ausnahme starker Oxidationsmittel. Außerdem unterscheidet es sich von allen anderen nichtmetallischen Werkstoffen durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit, mehr als die doppelte Wärmeleitfähigkeit von Eisen.

All diese Anforderungen erfüllen Eisen-, Kohlenstoff- und niedriglegierte Baustähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: Der Schmelzpunkt von Eisen beträgt 1535 ° C, die Verbrennungstemperatur 1200 ° C, der Schmelzpunkt von Eisenoxid 1370 ° C. Die thermische Wirkung von Oxidationsreaktionen ist ziemlich hoch: Fe 0 5O2 FeO 64 3 kcal / g-mol, 3Fe 2O2 Fe3O4 H - 266 9 kcal / g-mol, 2Fe 1 5O2 Fe2O3 198 5 kcal / g-mol, und die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist begrenzt.

Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer hohen physikalischen und chemischen Eigenschaften zunehmend als Konstruktionswerkstoff für die Luftfahrt- und Raketentechnik, die chemische Verfahrenstechnik, die Instrumentierung, den Schiffs- und Maschinenbau, in der Lebensmittel- und anderen Industrien eingesetzt. Titan ist fast zweimal leichter als Stahl, seine Dichte beträgt 45 g/cm3, es hat hohe mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit bei normalen und hohen Temperaturen und in vielen aktiven Medien ist die Wärmeleitfähigkeit von Titan fast viermal geringer als die Wärmeleitfähigkeit aus Eisen.

Eine solche Lösung besteht darin, dass das auf die gekühlte Oberfläche gewickelte Rohr nur mit dieser Oberfläche verschweißt wird, wonach die Rohr-Mantel-Verbindung mit Epoxidharz, gemischt mit Eisenpulver, beschichtet wird. Die Wärmeleitfähigkeit der Mischung kommt der von Eisen nahe. Das Ergebnis ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Mantel und dem Rohr, was die Kühlbedingungen des Mantels verbessert.

Alle diese Bedingungen werden von Eisen- und Kohlenstoffstählen erfüllt. FeO- und Fe304-Oxide schmelzen bei Temperaturen von 1350 und 1400 C. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist im Vergleich zu anderen Strukturmaterialien nicht hoch.

Für Metalle, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, ist es auch sehr wichtig, wie sich ihre Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur ändert. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl steigt mit sinkender Temperatur. Reines Eisen ist sehr empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Abhängig von der Menge an Verunreinigungen kann sich die Wärmeleitfähigkeit von Eisen dramatisch ändern. Reines Eisen (99,7 %), das 0,01 % C und 0,21 % O2 enthält, hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,35 cal cm-1 s – 19 °C – bei – 173 °C und 0,85 cal cm – x Xs – 10 °C – bei -243 C .

Das Löten mit Lötkolben, Gasbrennern, Eintauchen in geschmolzenes Lot und in Öfen ist das am weitesten verbreitete Löten. Einschränkungen bei der Verwendung ergeben sich nur dadurch, dass nur dünnwandige Teile mit einem Lötkolben bei einer Temperatur von 350 C gelötet werden können. Massive Teile aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, die das 6-fache der Wärmeleitfähigkeit von Eisen beträgt, werden mit Gasbrennern gelötet. Für Kupferrohrwärmetauscher wird das Löten durch Eintauchen in geschmolzene Salze und Lote verwendet. Beim Tauchlöten in Salzschmelzen werden in der Regel Salzbadöfen verwendet. Salze sind in der Regel eine Wärmequelle und haben eine fluxende Wirkung, sodass beim Löten kein zusätzliches Fluxen erforderlich ist. Beim Badlöten werden vorgefluxte Teile in einer Lötschmelze erhitzt, die die Fügespalte bei Löttemperatur ausfüllt. Der Lötspiegel wird durch Aktivkohle oder Inertgas geschützt. Der Nachteil des Lötens in Salzbädern ist die teilweise nicht mögliche Entfernung von Salz- oder Flussmittelrückständen.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und seine anderen nützlichen Eigenschaften waren einer der Gründe für die frühe Entwicklung dieses Metalls durch den Menschen. Und bis heute finden sie in fast allen Bereichen unseres Lebens Anwendung.

Etwas zur Wärmeleitfähigkeit

In der Physik versteht man unter Wärmeleitfähigkeit die Bewegung von Energie in einem Objekt von stärker erhitzten zu weniger erhitzten Teilchen. Dank dieses Prozesses wird die Temperatur des betreffenden Objekts als Ganzes eingeebnet. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit wird durch den Wärmeleitkoeffizienten charakterisiert. Dieser Parameter entspricht der Wärmemenge, die ein 1 Meter dickes Material eine Sekunde lang bei einer Temperaturdifferenz von einer Einheit durch sich selbst durch eine Oberfläche von 1 m2 durchdringt.

Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von 394 W/(m*K) bei einer Temperatur von 20 bis 100 °C. Da kann nur Silber mithalten. Und für Stahl und Eisen ist dieser Wert 9- bzw. 6-mal niedriger (siehe Tabelle). Zu beachten ist, dass die Wärmeleitfähigkeit von Produkten aus Kupfer stark von Verunreinigungen abhängt (dies gilt jedoch auch für andere Metalle). Beispielsweise sinkt die Wärmeleitungsrate, wenn Stoffe wie:

• Eisen;
• Arsen;
• Sauerstoff;
• Selen;
• Aluminium;
• Antimon;
• Phosphor;
• Schwefel.

Wenn Sie Kupfer Zink hinzufügen, erhalten Sie Messing, das eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit hat. Gleichzeitig kann die Zugabe anderer Substanzen zu Kupfer die Kosten der Endprodukte erheblich senken und ihnen Eigenschaften wie Festigkeit und Verschleißfestigkeit verleihen. Beispielsweise zeichnet sich Messing durch höhere technologische, mechanische und Gleiteigenschaften aus.

Da eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch die schnelle Verteilung der Heizenergie im gesamten Objekt gekennzeichnet ist, wurde Kupfer in Wärmeübertragungssystemen weit verbreitet verwendet. Derzeit werden daraus Heizkörper und Rohre für Kühlschränke, Vakuumanlagen und Autos hergestellt, um Wärme schnell abzuführen. Auch Kupferelemente werden in Heizungsinstallationen verwendet, aber bereits zum Heizen.

Um die Wärmeleitfähigkeit des Metalls auf einem hohen Niveau zu halten (und damit den Betrieb von Kupfergeräten so effizient wie möglich zu gestalten), wird in allen Wärmeaustauschsystemen eine Zwangsbelüftung durch Lüfter verwendet. Diese Entscheidung beruht auf der Tatsache, dass mit zunehmender Temperatur des Mediums die Wärmeleitfähigkeit eines Materials erheblich abnimmt, da sich die Wärmeübertragung verlangsamt.

Aluminium und Kupfer – was ist besser?

Aluminium hat gegenüber Kupfer einen Nachteil: Seine Wärmeleitfähigkeit ist 1,5-mal geringer, nämlich 201–235 W / (m * K). Im Vergleich zu anderen Metallen sind diese Werte jedoch recht hoch. Aluminium hat wie Kupfer hohe Korrosionsschutzeigenschaften. Darüber hinaus hat es Vorteile wie:

• geringe Dichte (spezifisches Gewicht ist dreimal geringer als das von Kupfer);
• niedrige Kosten (3,5-mal weniger als Kupfer).

Dank einfacher Berechnungen stellt sich heraus, dass ein Aluminiumteil fast zehnmal billiger sein kann als ein Kupferteil, weil es viel weniger wiegt und aus einem billigeren Material besteht. Diese Tatsache, zusammen mit der hohen Wärmeleitfähigkeit, ermöglicht die Verwendung von Aluminium als Material für Geschirr und Lebensmittelfolie für Backöfen. Der Hauptnachteil von Aluminium besteht darin, dass es weicher ist und daher nur in Legierungen (z. B. Duraluminium) verwendet werden kann.

Für eine effiziente Wärmeübertragung spielt die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung an die Umgebung eine wichtige Rolle, die durch das Einblasen von Heizkörpern aktiv gefördert wird. Dadurch wird die geringere Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (im Vergleich zu Kupfer) ausgeglichen und das Gewicht und die Kosten der Ausrüstung reduziert. Diese wichtigen Vorteile ermöglichen es Aluminium, Kupfer schrittweise aus der Verwendung in Klimaanlagen zu ersetzen.

In manchen Branchen wie Radio und Elektronik ist Kupfer unverzichtbar. Tatsache ist, dass dieses Metall von Natur aus sehr plastisch ist: Es kann zu einem extrem dünnen Draht (0,005 mm) gezogen werden und andere spezifische leitfähige Elemente für elektronische Geräte herstellen. Und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit kann Kupfer die beim Betrieb von Elektrogeräten zwangsläufig entstehende Wärme sehr effektiv abführen, was für moderne hochpräzise, ​​aber gleichzeitig kompakte Technik sehr wichtig ist.

Die Verwendung von Kupfer ist in Fällen relevant, in denen es erforderlich ist, eine Oberfläche mit einer bestimmten Form auf einem Stahlteil herzustellen. In diesem Fall wird eine Kupferschablone verwendet, die nicht mit dem zu schweißenden Element verbunden ist. Die Verwendung von Aluminium für diese Zwecke ist unmöglich, da es geschmolzen oder durchgebrannt wird. Erwähnenswert ist auch, dass Kupfer beim Kohlelichtbogenschweißen als Kathode fungieren kann.

1 - Zahnrad, 2 - Befestigungsschablonen, 3 - hinterlegter Zahnradzahn, 4 - Kupferschablonen

Nachteile der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und seinen Legierungen

Kupfer ist viel teurer als Messing oder Aluminium. Gleichzeitig hat dieses Metall seine Nachteile, die direkt mit seinen Vorteilen zusammenhängen. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit führt dazu, dass beim Schneiden, Schweißen und Löten von Kupferelementen besondere Bedingungen geschaffen werden müssen. Denn Kupferelemente müssen im Vergleich zu Stahl wesentlich konzentrierter erhitzt werden. Auch ein Vorwärmen und Nachwärmen des Bauteils ist oft erforderlich.

Vergessen Sie nicht, dass Kupferrohre eine sorgfältige Isolierung erfordern, wenn sie aus einer Haupt- oder Heizungssystemverkabelung bestehen. Dies führt zu einer Erhöhung der Kosten für die Installation des Netzwerks im Vergleich zu Optionen, bei denen andere Materialien verwendet werden.

Auch bei Kupfer treten Schwierigkeiten auf: Dieses Verfahren erfordert stärkere Brenner. Beim Schweißen von Metall mit einer Dicke von 8–10 mm werden zwei oder drei Brenner benötigt. Während ein Brenner zum Schweißen verwendet wird, erwärmt der andere das Teil. Generell erfordern Schweißarbeiten mit Kupfer erhöhte Kosten für Verbrauchsmaterialien.

Es sollte auch über die Notwendigkeit der Verwendung von Spezialwerkzeugen gesprochen werden. Zum Schneiden von bis zu 15 cm Dicke benötigen Sie also ein Schneidegerät, das mit 30 cm dickem hochverchromtem Stahl arbeiten kann, und das gleiche Werkzeug reicht aus, um mit einer Dicke von nur 5 cm zu arbeiten.

Die Tabelle zeigt die Dichte von Eisen d, sowie die Werte seiner spezifischen Wärmekapazität Vgl, Wärmeleitzahl a, Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ , Elektrischer widerstand ρ , Lorentz-Funktionen LL 0 bei verschiedenen Temperaturen - im Bereich von 100 bis 2000 K.

Die Eigenschaften von Eisen hängen stark von der Temperatur ab: Wenn dieses Metall erhitzt wird, nehmen seine Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit ab und der Wert der spezifischen Wärmekapazität von Eisen steigt.

Die Dichte von Eisen beträgt 7870 kg / m 3 bei Raumtemperatur. Wenn Eisen erhitzt wird, nimmt seine Dichte ab. Da Eisen das Hauptelement in der Zusammensetzung von Stahl ist, bestimmt auch die Dichte von Eisen den Wert. Die Abhängigkeit der Dichte von Eisen von der Temperatur ist schwach - wenn es erhitzt wird, nimmt die Dichte des Metalls ab und nimmt bei einem Schmelzpunkt von 1810 K oder 1537 ° C einen Mindestwert von 7040 kg / m 3 an.

Die spezifische Wärmekapazität von Eisen beträgt laut Tabelle 450 J / (kg deg) bei einer Temperatur von 27°C. Je nach Struktur ändert sich die spezifische Wärmekapazität von massivem Eisen mit steigender Temperatur unterschiedlich. Die Werte in der Tabelle zeigen ein charakteristisches Maximum der Wärmekapazität von Eisen in der Nähe von T c und Sprünge bei Strukturübergängen und beim Schmelzen.

Im geschmolzenen Zustand ändern sich die Eigenschaften von Eisen. Die Dichte von flüssigem Eisen nimmt also ab und beträgt 7040 kg / m 3. Die spezifische Wärmekapazität von Eisen im geschmolzenen Zustand beträgt 835 J/(kg deg), während die Wärmeleitfähigkeit von Eisen auf 39 W/(m deg) abnimmt. Dabei erhöht sich der spezifische elektrische Widerstand dieses Metalls und nimmt bei 2000 K den Wert von 138·10 -8 Ohm·m an.

Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen bei Raumtemperatur beträgt 80 W / (m Grad). Mit zunehmender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ab - es hat einen negativen Temperaturkoeffizienten im Temperaturbereich von 100-1042 K und beginnt dann leicht zu wachsen. Der Mindestwert der Wärmeleitfähigkeit von Eisen beträgt 25,4 W/(m Grad) in der Nähe des Curie-Punktes. Während des β-γ-Übergangs wird eine leichte Änderung der Wärmeleitfähigkeit beobachtet, die auch während des γ-δ-Übergangs stattfindet.

Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen nimmt mit zunehmender Menge an Verunreinigungen stark ab., besonders und . Sehr reines Elektrolyteisen hat die höchste Wärmeleitfähigkeit - seine Wärmeleitfähigkeit bei 27 ° C beträgt 95 W / (m Grad).

Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von Eisen wird auch durch den Reinheitsgrad dieses Metalls bestimmt. Je reiner das Eisen ist, desto höher ist seine Wärmeleitfähigkeit und desto stärker nimmt der absolute Wert mit steigender Temperatur ab.